CN109973374A - 一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法，实现了往复压缩机的排气量在压缩机转速变化时的自适应调节控制参数和负荷修正，达到了稳定压缩机排量的目的。大部分企业采用燃气发动机或者蒸汽轮机作为驱动装置驱动压缩机存在转速波动的问题，为了克服因压缩机转速波动导致无法对机组进行有效气量调节的技术缺点，本发明在压缩机各级进气阀配备卸荷装置，通过控制顶出信号输出的时刻和持续的时间实现气量0～100％满量程无级调节。实时采集的止点信号利用数字滤波技术计算压缩机的当前实时转速，并根据当前实时转速自适应调整控制参数，定期对压缩机均值运行转速进行修正，手动设定的机组实际需要的排量与修正后均值运行转速下的压缩机吸气量进行比值计算一级负荷比，其他各级采用设定压比方式运用PID控制器自动计算负荷比，最终实现在不同压缩机转速下，保持机组级间压比和排气量不变。

Description

一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法

技术领域

本发明涉及一种转速自适应的往复式压缩机气量调节方法，实现了往复压缩机在转速波动状态下的排气量精确控制，达到了稳定压缩机排量的目的。

背景技术

往复式压缩机是容积式压缩机的一种，它依靠气缸内活塞的往复运动来压缩缸内气体，在气阀的配合作用下，实现气体的吸入、压缩和排出，从而提高气体压力，满足工艺生产要求。往复压缩机在石油、化工、化肥、天然气输送等各工业领域中应用广泛。然而，在设计压缩机额定排量时往往会考虑在需要的排量基础上留有一些余量，而压缩机生产厂家往往也会在给定的额定排量上加入一些余差，鉴于压缩机排气量的设计余量,尤其实际生产需求的改变，具体到生产工艺对压缩机排气量需求的改变或压缩机进气源气量改变，都要求往复压缩机应具备良好的排气量调控功能。

目前调节压缩机排气量的方法有旁路调节、余隙容积调节、顶开进气阀调节、转速调节等几种调节方式。旁路调节作为一种广泛应用的调节方式，是将压缩机排出的气体通过旁路管线和旁通阀全部或者部分返回进气管路，从而实现气量调节，这种调节方式的优点是可以实现压缩机排气量的连续调节，对压缩机改造较少，成本低，缺点是回流的气体是经过压缩的，大量气体反复被压缩，机组无用功较多，这样就浪费了大量的能源，也会造成进气压力的波动。在能源紧缺的企业越来越注重效益的今天，这种调节方式显然不适应时代的发展。

部分行程压开进气阀调节的方式是在每个压缩机工作行程的特定时间用液压或气压执行机构驱动卸荷器，在压缩过程卸荷器强制压开吸气阀，部分气体返回吸气管道，从而控制排气量。基于该调节方式的调节装置已有所公示：美国专利US5833209及US7331767中公开的调节装置通过高频快速响应开关阀打开或切断液压动力回路，控制进气阀顶开机构动作，实现压缩机每周期排气量的调节。CN102937084A中采用由执行电机驱动吸气阀压杆轴向移动，吸气阀压杆的前端通过压叉控制控制吸气阀阀片位置，使吸气阀按照控制要求延时关闭，实现压缩机气量的自动无级调节，该方法在实际操作中存在较大难度且不能有效的实时调整气量。这些调节方法主要是针对转速稳定的压缩机进行调节，当压缩机转速出现较大波动时，压缩机一个工作行程的时间周期是变化的，采用额定转速进行气量调节，会造成负荷控制不稳，更严重的是，执行机构长时间膨胀过程顶出，造成阀片断裂故障，压缩机无法正常运行。

在大部分石化企业中，采用汽轮机、燃气发动机替代大型电动机驱动高速往复式压缩机。这种驱动方式能大幅度降低电耗，但是也存在着压缩机转速不稳、起停机操作复杂等问题。汽轮机、燃气发动机几乎都配备自身的调速系统，当调速系统出现问题时，会造成往复压缩机转速出现较大波动；燃气发动机燃料组分变化，燃料低热值不合适、汽轮机前端进气蒸汽压力波动等都会造成往复压缩机转速变化；同时，往复压缩机压缩端负荷变化也会引起转速变化。当往复压缩机转变化时，采用额定转速进行控制会造成气量控制不准，甚至造成机组气阀工作在非正常状态，引起故障停车。为了防止这种由于转速变化造成的调节效果不佳，提出一种速往复压缩机转速自适应的气量控制方法，实现在不同转速下，根据转速自适应调整控制参数，实现安全、稳定和准确的气量调节效果。

发明内容

1、本发明涉及一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法，其特征在于：

(1)在往复压缩机吸气阀上安装卸荷器，采用液压装置提供驱动力，驱动卸荷器动作，通过控制顶出信号的时间T_on，实现吸气阀延时关闭调节机组排气量；

(2)压缩机的压缩级数为N，机组满负荷运行的总压比为ε，各级压比为ε_q，q＝1,2…N，ε＝ε₁×ε₂×...×ε_N，机组各级进气压力为P_q，q＝1,2…N；

(3)在压缩机飞轮上安装的接近开关传感器，压缩机飞轮每转一圈，接近开关传感器会产生一个止点脉冲信号，采集前K(K>＝200)个止点脉冲信号进行系统初始化自检，通过采集的实时止点脉冲信号计算当前实时转速；

(4)压缩机额定转速为ω，单位rad/秒。需定期通过实时转速对压缩机均值运行转速进行校正计算，校正后的均值运行转速为单位rad/秒；

(5)获的校正后的均值运行转速计算在该转速下，压缩机一级的总吸气的体积流量Q_1s，为保证机组的总排量不变，对机组的一级负荷比进行自适应修正，修正机组的总进气量；

(6)根据当前实时转速和修正的一级负荷比计算顶出控制信号并输出至一级电磁阀进行气量控制；

(7)其他各级的负荷比根据各级压力设定值与实时值的偏差信号运用PID控制器计算获得，利用当前实时转速和计算获得的负荷比计算除一级外其他各级顶出控制信号并输出至电磁阀进行气量控制；

2、根据权利要求1所述的一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法，其特征在于，步骤3当前实时转速计算方法：在系统初始化阶段，获得止点信号之间的平均间隔时间t₀，初始化结束后，时间采集的相邻的止点脉冲信号时间间隔为t_l,为了防止止点脉冲信号出现采集遗漏或者采集干扰的现象，对时间间隔t_l进行限幅处理，若|t_l-t_l-1|＞b，取t_l＝t_l-1，b为设置的阈值参数，本发明b＝0.5*t_l-1，为了保证当前转速的实时性，采用滑动平均滤波算法，连续采集H个时间间隔t_l,l＝1…H，按照采集顺序将其存入H维数组中，当最新的时间间隔信号存入数组时，替换掉最早存入的时间间隔信号，以此类推，则当前实时转速为其中α_l满足

3、根据权利要求1所述的一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法，其特征在于，步骤4均值运行转速计算校正方法为：转速校正周期为T，当进入校正周期或者在本周期内实时转速与均值运行转速的差值的绝对值大于设定的阈值a＝0.05ω时，进行均值运行转速校正计算，计算过程为连续采集X个实时转速信号，求得当前校正周期内校正后的均值运行转速校正计算过程中压缩机均值运行转速取上一个校正周期的结果。

4、根据权利要求1所述的一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法，其特征在于，步骤5一级负荷比修正方法如下：

求得往复压缩机第一级气缸在吸气过程中的质量流量为：

上式中，表示气流流动方向参数：+1表示从吸气腔到气缸的正常流向，-1表示从气缸回流到吸气腔；C为第1级气缸吸气阀的流量系数；A_fs为第1级气缸同名吸气阀总流通面积；为压缩机校正均值运行转速，单位rad/秒；p_1cy和p₁分别表示第1级气缸内气体压力和第1级进气压力；ρ_1cy为气缸体气体的密度，曲轴角度θ表示相对于活塞外止点曲轴转过的角度；

计算第1级气缸单周期满负荷吸气质量M_1s：

将第1级气缸的吸气质量M_1s转化为到标准状态下气体体积流量Q_1s，单位为Nm³/min；进行排气量调节时，生产工艺在t时刻实际需要的气量为Q(t)，单位是Nm³/min，往复压缩机一级气缸在t时刻的负荷比为：

η₁＝Q(t)/Q_1s

5、根据权利要求1所述的一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法，其特征在于，步骤6和7的顶出控制信号自适应计算方法：通过实际实验测试，控制顶出信号输出到执行卸荷器完全顶出的滞后时间为t₅，撤回信号输出到执行卸荷器完全撤回的滞后时间为t₆，当前校正周期内的压缩机吸排气周期为则在当前转速校正周期内，把止点信号标记为起始点，驱动盖侧执行卸荷器的顶出信号在采集到止点信号后延时时刻开始输出，转速变化时T_off也随之变化，不同负荷对应顶出控制信号持续时间表示为T_on＝t₅+T_θ，式中，t₅为顶出信号最短输出时间，T_θ表示控制执行卸荷器在曲轴角度θ撤回时顶出信号的控制增量，定义活塞位于外止点时θ＝0°。驱动轴侧执行卸荷器的顶出控制信号与盖侧相同，但在时序滞后

6、根据权利要求1所述的一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法，其特征在于，步骤7除一级外其他各级负荷比计算方法如下：

计算第i级负荷比增量η_i(k)为

η_i(k)＝A_ie_i(k)-B_ie_i(k-1)+C_ie_i(k-2),i＝2...N

A_i＝K_pi+K_Ii+K_di

B_i＝K_pi+2K_di

C_i＝K_di

式中：K_pi为第i级PID比例增益，K_Ii为第i级PID积分增益，K_di为第i级PID微分增益，K_pi、K_Ii、K_di均通过采集各级进气压力利用曲线法进行整定获得；第i级进气压力设定值，p_i(t)为第i级进气压力实时值；e_i(t)＝p_i(t)-p_{i_sp}为第i级进气气压力偏差。

实际第i级在时刻k的负荷η_i(k)为：

η_i(k)＝η_i(k-1)+η_i(k),i＝2...N

式中，η_i(k-1)表示为压缩机第i级在k-1时刻的负荷比；

7、根据权利要求5所述的一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法，其特征在于，不同负荷比的顶出控制信号增量T_θ和顶出控制信号总持续时间T_on计算方法如下：

根据负荷比转化公式式中，λ为压缩机的连杆长度与曲轴半径之比。计算各级盖侧卸荷器在曲轴角度180+θ_j撤回时顶出信号的控制增量T_θj，下文中标号j,j＝1…N表示压缩机的第j级，N为压缩机的级数。

压缩机各级不同负荷对应各级盖侧执行卸荷器顶出控制信号的关系可表示为：

同等负荷盖侧与轴侧的通电时间相同；各级盖侧盖侧执行卸荷器的顶出控制信号输出时刻相对于止点信号延时为：轴侧执行卸荷器的顶出控制信号输出时刻相对于止点信号延时为：

8、根据权利要求4所述的一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法，其特征在于，建立的第1级气缸缸内压力P_1cy的计算方法：

式中，γ＝1.4表示理想气体的比热比，R表示理想的气体常数，表示通过进气阀流进气缸的质量流量，T₁表示一级进气温度，α_1h为第1级气缸余隙系数、V_1h为第1级气缸活塞行程容积、λ为压缩机连杆长度与曲轴半径之比、V₁₀为第1级气缸余隙容积，V_1cy为在曲轴转动角度为θ时的气缸容积、A_fs为第1级气缸同名吸气阀总流通面积，为压缩机校正均值运行转速；上述参数α_1h、V_1h、λ、V₁₀通过查阅压缩机基本设计参数获得；

9、根据权利要求4所述的一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法，其特征在于，建立的第1级气缸气体流量Q_1s的计算方法，：

上式中，R为通用气体常数，为8.314J/(mol*K)，T为绝对零度，为273.15K，M为气体的摩尔质量，P为标准大气压，为校正压缩机均值运行转速，单位rad/秒。

10、与现有技术相比，本发明的优点在于：当压缩机转速出现波动，可以对转速进行校正，对转速变化所引起的压缩机整机排气量进行自动修正。当设定机组实际需要的排量后，可实现压缩机排气量的准确控制，保证机组的排气量稳定。

附图说明

图1往复压缩机气量转速自适气量调节逻辑流程图；

图2部分行程顶开进气阀执行装置的结构示意图；

图3一级负荷校正计算逻辑流程图；

图4往复压缩机转速信号校正时序图(转速无快变,X＝4)

图5往复压缩机转速信号校正时序图(转速有快变，X＝4)

图6控制信号自适应调整逻辑流程图

图中：10—电磁阀 11—执行油缸 12—压缩机阀盖 13—压叉 14—压缩机进气阀15—顶杆 16—高压进油管路

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和实施方式详细加以描述。

本发明涉及一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法，其主要的逻辑流程图如图1所示，主要包括止点脉冲信号采集、当前实时转速计算、均值运行转速修正、一级负荷比自适应修正、控制信号自适应计算输出等几个部分。具体实施在两级两缸天然气往复压缩机，在压缩机一级和二级的所有进气阀配备上如图2所示的执行卸荷器装置，通过调整顶出控制信号和顶出信号输出的时刻调节机组负荷，达到控制排气量的效果。本发明的机组排量调控方法是一级的负荷比通过设定的机组实际需要排量与机组均值运行转速校正后的机组满负荷排量进行比值计算获得。设定往复压缩机压比后，PID控制算法利用实时采集的二级进气压力计算出二级负荷比。本发明的一级负荷比计算一级负荷比计算逻辑流程图如图3所示，转速校正的时序示意图如图4和图5所示。本实例中机组信息如下：

往复压缩机相关参数如下：

压缩机额定转速ω＝104.2rad/s

进气压力P_s＝0.4MPa

曲柄连杆比λ＝0.2

机组额定排量Q₀＝2460Nm³/min

机组的总压比ε＝6

获取压缩机实际需求气量QNm³/min和额定转速，一级气量负荷比根据上述方案计算公式确定，二级自动模式下由PID控制器接收实际进气压力值、进气压力设定值，经过运算得到需要的气量负荷比。本实例中压缩机运行转速分别设为850r/min、890r/min、940r/min、995r/min。压缩机的设定压比ε₁＝2.5，ε₂＝2.4。机组实际需求排气量为Q＝1800Nm³/min下，实验测试t₅＝6ms，t₆＝5ms，当压缩机转速由995r/min变至到850r/min时，按照图6的计算方法，一和二级控制盖侧和轴侧执行卸荷器在不同进气转速下顶出控制信号的持续时间和信号输出的时刻如下表所列：

为了满足机组设定的排气量和压缩机压比不变，采用本发明基于转速校正往复压缩机流量调控方法，当转速发生变化时，一级的负荷比通过校正转速进行修正，保证机组总的进气量不变。二级的负荷比通过各自的PID控制器进行调节，以保证压缩机的压比不变。由上表可知，当转速降低时，为了保持机组排量不变，一级的负荷比会增大，电磁阀开始通电时刻向后移动，持续通电时间减小；为了维持各级压比，二级的负荷比同样也会增大。

Claims (9)

1.涉及一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法，其特征在于：

(1)在往复压缩机吸气阀上安装卸荷器，采用液压装置提供驱动力，驱动卸荷器动作，通过控制顶出信号的时间T_on，实现吸气阀延时关闭调节机组排气量；

(2)压缩机的压缩级数为N，机组满负荷运行的总压比为ε，各级压比为ε_q，q＝1,2…N，ε＝ε₁×ε₂×...×ε_N，机组各级进气压力为P_q，q＝1,2…N；

(3)在压缩机飞轮上安装的接近开关传感器，压缩机飞轮每转一圈，接近开关传感器会产生一个止点脉冲信号，采集前K个止点脉冲信号进行系统初始化自检，K>＝200；通过采集的实时止点脉冲信号计算当前实时转速；

(4)压缩机额定转速为ω，单位rad/秒；需定期通过实时转速对压缩机均值运行转速进行校正计算，校正后的均值运行转速为单位rad/秒；

(5)获的校正后的均值运行转速计算在该转速下，压缩机一级的总吸气的体积流量Q_1s，为保证机组的总排量不变，对机组的一级负荷比进行自适应修正，修正机组的总进气量；

(6)根据当前实时转速和修正的一级负荷比计算顶出控制信号并输出至一级电磁阀进行气量控制；

(7)其他各级的负荷比根据各级压力设定值与实时值的偏差信号运用PID控制器计算获得，利用当前实时转速和计算获得的负荷比计算除一级外其他各级顶出控制信号并输出至电磁阀进行气量控制。

2.根据权利要求1所述的一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法，其特征在于，步骤3当前实时转速计算方法：在系统初始化阶段，获得止点信号之间的平均间隔时间t₀，初始化结束后，时间采集的相邻的止点脉冲信号时间间隔为t_l,为了防止止点脉冲信号出现采集遗漏或者采集干扰的现象，对时间间隔t_l进行限幅处理，若|t_l-t_l-1|＞b，取t_l＝t_l-1，b为设置的阈值参数，b＝0.5*t_l-1，为了保证当前转速的实时性，采用滑动平均滤波算法，连续采集H个时间间隔t_l,l＝1…H，按照采集顺序将其存入H维数组中，当最新的时间间隔信号存入数组时，替换掉最早存入的时间间隔信号，以此类推，则当前实时转速为其中α_l满足

3.根据权利要求1所述的一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法，其特征在于，步骤4均值运行转速计算校正方法为：转速校正周期为T，当进入校正周期或者在本周期内实时转速与均值运行转速的差值的绝对值大于设定的阈值a＝0.05ω时，进行均值运行转速校正计算，计算过程为连续采集X个实时转速信号，求得当前校正周期内校正后的均值运行转速校正计算过程中压缩机均值运行转速取上一个校正周期的结果。

4.根据权利要求1所述的一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法，其特征在于，步骤5一级负荷比修正方法如下：

求得往复压缩机第一级气缸在吸气过程中的质量流量为：

上式中，表示气流流动方向参数：+1表示从吸气腔到气缸的正常流向，-1表示从气缸回流到吸气腔；C为第1级气缸吸气阀的流量系数；A_fs为第1级气缸同名吸气阀总流通面积；为压缩机校正均值运行转速，单位rad/秒；p_1cy和p1分别表示第1级气缸内气体压力和第1级进气压力；ρ_1cy为气缸体气体的密度，曲轴角度θ表示相对于活塞外止点曲轴转过的角度；

计算第1级气缸单周期满负荷吸气质量M_1s：

将第1级气缸的吸气质量M_1s转化为到标准状态下气体体积流量Q_1s，单位为Nm³/min；进行排气量调节时，生产工艺在t时刻实际需要的气量为Q(t)，单位是Nm³/min，往复压缩机一级气缸在t时刻的负荷比为：

η₁＝Q(t)/Q_1s。

5.根据权利要求1所述的一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法，其特征在于，步骤6和7的顶出控制信号自适应计算方法：通过实际实验测试，控制顶出信号输出到执行卸荷器完全顶出的滞后时间为t₅，撤回信号输出到执行卸荷器完全撤回的滞后时间为t₆，当前校正周期内的压缩机吸排气周期为则在当前转速校正周期内，把止点信号标记为起始点，驱动盖侧执行卸荷器的顶出信号在采集到止点信号后延时时刻开始输出，转速变化时To_ff也随之变化，不同负荷对应顶出控制信号持续时间表示为T_on＝t₅+T_θ，式中，t₅为顶出信号最短输出时间，T_θ表示控制执行卸荷器在曲轴角度θ撤回时顶出信号的控制增量，定义活塞位于外止点时θ＝0°；驱动轴侧执行卸荷器的顶出控制信号与盖侧相同，但在时序滞后

6.根据权利要求1所述的一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法，其特征在于，步骤7除一级外其他各级负荷比计算方法如下：

计算第i级负荷比增量Δη_i(k)为

Δη_i(k)＝A_ie_i(k)-B_ie_i(k-1)+C_ie_i(k-2),i＝2...N

A_i＝K_pi+K_Ii+K_di

B_i＝K_pi+2K_di

C_i＝K_di

式中：K_pi为第i级PID比例增益，K_Ii为第i级PID积分增益，K_di为第i级PID微分增益，K_pi、K_Ii、K_di均通过采集各级进气压力利用曲线法进行整定获得；第i级进气压力设定值，p_i(t)为第i级进气压力实时值；e_i(t)＝p_i(t)-p_{i_sp}为第i级进气气压力偏差；

实际第i级在时刻k的负荷η_i(k)为：

η_i(k)＝η_i(k-1)+Δη_i(k),i＝2...N

式中，η_i(k-1)表示为压缩机第i级在k-1时刻的负荷比。

7.根据权利要求1所述的一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法，其特征在于，不同负荷比的顶出控制信号增量T_θ和顶出控制信号总持续时间T_on计算方法如下：

根据负荷比转化公式式中，λ为压缩机的连杆长度与曲轴半径之比；计算各级盖侧执行卸荷器在曲轴角度180+θ_j撤回时顶出信号的控制增量T_θj，下文中标号j,j＝1…N表示压缩机的第j级，N为压缩机的级数；

压缩机各级不同负荷对应各级盖侧执行卸荷器顶出控制信号的关系表示为：

同等负荷盖侧与轴侧的通电时间相同；各级盖侧盖侧执行卸荷器的顶出控制信号输出时刻相对于止点信号延时为：轴侧执行卸荷器的顶出控制信号输出时刻相对于止点信号延时为：

8.根据权利要求1所述的一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法，其特征在于，建立的第1级气缸缸内压力P_1cy的计算方法：

0≤θ≤180°

式中，γ＝1.4表示理想气体的比热比，R表示理想的气体常数，表示通过进气阀流进气缸的质量流量，T₁表示一级进气温度，α_1h为第1级气缸余隙系数、V_1h为第1级气缸活塞行程容积、λ为压缩机连杆长度与曲轴半径之比、V₁₀为第1级气缸余隙容积，V_1cy为在曲轴转动角度为θ时的气缸容积、A_fs为第1级气缸同名吸气阀总流通面积，为压缩机校正均值运行转速；上述参数α_1h、V_1h、λ、V₁₀通过查阅压缩机基本设计参数获得。

9.根据权利要求1所述的一种转速自适应的往复压缩机气量调节方法，其特征在于，建立的第1级气缸气体流量Q_1s的计算方法，：

上式中，R为通用气体常数，为8.314J/(mol*K)，T为绝对零度，为273.15K，M为气体的摩尔质量，P为标准大气压，为校正压缩机均值运行转速，单位rad/秒。